从“虎门大桥”,再谈光伏跟踪器的“风致共振”

从“虎门大桥”,再谈光伏跟踪器的“风致共振”

引导语


2020年5月5 日,下午2点左右。连接广东省南沙区与东莞市虎门镇的跨海大桥-“虎门大桥”,在额定风速下全桥开始明显的上下蛇形摇晃,大桥管理部门迅速启动应急预案,联合交警部门采取了双向交通管制措施。“虎门大桥事件”引起了广泛的关注,而这种悬索桥的共振模式与我们光伏跟踪器非常相似,今天小树洞就和大家一起聊聊跟踪器的“风致共振”现象。

从“虎门大桥”,再谈光伏跟踪器的“风致共振”


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竖弯振动和扭转振动


从“虎门大桥”,再谈光伏跟踪器的“风致共振”

▵虎门大桥为典型的悬索桥结构


虎门大桥是一种比较典型的悬索桥结构,这种方式的桥梁使用钢索来承受拉力,可以使用较小的成本来跨越很长的距离。但是悬索桥的缺陷就是刚性比较弱。


而正由于悬索桥的刚性比较差,所以在外力作用下,比如当风绕过桥梁产生涡流时,其诱导力就容易使其发生变形。桥梁一般有两种比较常见的变形方式。


竖弯变形,主桥梁垂直方向上下晃动

扭转变形,主桥梁随着一个轴扭曲变形


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▵虎门大桥竖弯振动模式


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▵塔科马大桥扭转振动模式


当然实际情况下竖弯和扭转经常混合在一起。与悬索桥类似,跟踪器本身也是柔性结构,由于主轴本身的刚性较差,也会产生“竖弯”和“扭转”这两种变形。


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▵跟踪器的竖弯振动模式


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▵跟踪器的扭转振动模式


而因为跟踪器的竖弯变形频率往往比扭转变形的频率要高,在实际现场最常见的破坏还是扭转变形。


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▵跟踪器的扭转模式失效



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▵销轴转心的跟踪器

阻尼比低,极易出现扭转涡振



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涡振和颤振


5月5日的风速并不大,虎门大桥出现了桥面的上下晃动,但是所幸桥梁本身没有被损坏,预计评估测试完后,不日即可重新开通。这种在低风速下的有限振幅,称之为“涡振”。


而在各大新闻中,小树洞发现经常和虎门大桥一同出镜的,还有另一座悬索桥。1940年7月11日,建成仅仅四个月的“塔科马海峡大桥”,在微风下轰然倒塌,而这一幕恰好被路过的一个好莱坞摄影团队所拍下,其倒塌视频广为流传。


塔科马大桥事故后,很多人参与了倒塌原因的分析,其中著名的航空动力学祖师爷-冯卡门,提出了桥梁破坏是因为“卡门涡街”导致的。由于冯卡门的威望,在很长的一段时间内,大家都错误的认为塔科马大桥的凶手是“涡激共振”,而真正的凶手在很多年后才浮出水面。


2013年,美国工程院院士,现代气动弹性力学的奠基人,Dowell教授(名字一看就非常可靠)在文章中指出:


“一些物理教科书将塔科马大桥的倒塌归结为涡激共振,这一观点是错误的,实质上塔科马大桥是由于颤振倒塌,这和涡振是两个截然不同的现象”


从“虎门大桥”,再谈光伏跟踪器的“风致共振”

▵文章来源:

A Modern Course in Aeroelasticity (Dowell 2013)


涡振:

是一种由于旋涡的交替脱落,引起的脉动荷载。是限幅振动,常见于低风速情况。卡门涡街就是涡振的一种形式。由于涡振往往出现在低风速的情况下,空气产生的能量比较低,只要在允许变形范围内的振动,都不会对结构产生大的破坏。


颤振:

是因为弹性结构在空气流动中获得能量,导致的结构振动失稳。是发散振动,常见于高风速情况下。随着风速的增大,涡流频率会突然脱离结构频率,出现空气负阻尼,结构振动幅度也越变越大,最终导致毁坏。


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▵跟踪器涡振状态


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跟踪器进入颤振后被风损毁


跟踪器的空气动力学稳定性分析,需要保证在小风速下,涡振稳定在一定的振幅范围内,大风速下不进入颤振。总结起来就是八个字:


小风不坏,大风不倒”



3

如何设计跟踪器风致稳定性


几乎所有的跟踪器厂家都会对结构强度进行校核,满足零部件在受到风荷载时,材料保持在弹性变形阶段。但是很多结构工程师往往忽视了跟踪器的“稳定性”计算,而大部分跟踪器的破坏,并不是由于荷载过大导致的材料屈服,而是由于失稳。


针对跟踪器的风致稳定性分析,目前行业内唯一,也是最有效的方法就是进行合理合规的风洞测试。计算出结构的自身频率,测试获得其阻尼比系数,然后采用动态风洞测试获得的动态放大系数-DAF,进行严格的校核。


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跟踪器扭转模态的DAF值(来源:IFI)


另外也可以寻求有限元软件,进行数值流体动力学仿真,定性的获得在不同风速,不同角度下的跟踪器状态。

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使用OpenFOAM

对跟踪器进行流固耦合分析

(来源:RWDI)


还有一些厂家会采用更先进的测试,进行缩比尺的全真模型,进行气动弹性风洞测试,获得更详细的颤振临界风速,和大风保护策略。


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大气边界层气动弹性风洞测试

(来源:CPP)


对于这部分可以参考小树洞之前的文章《跟踪器风荷载设计准则研讨会详解》,本文下方有传送门。


4

如何提高跟踪器风致稳定性


减少跟踪器的动态风荷载破坏,主要从三个方面考虑:

  • 增加跟踪器的刚性,提高自身频率

  • 增加跟踪器阻尼比,减少动态风荷载

  • 提高大风保护角度,改变气动力学外形


频率是跟踪器的一个重要特性,跟踪器主要有三个模态,所对应的就是三个频率。三种频率的大小和结构本身的尺寸属性有很大的关系。由于篇幅所限,以后小树洞找机会再和大家聊聊如何在设计时,有效地提高这三种频率。


阻尼比是标准系统在受外力下,恢复到稳定状态的能力,阻尼比越大,跟踪器就能越快的回到稳定状态,所以也就变相的减少了动态风荷载的大小。悬索桥的阻尼比一般是0.3~0.5%,而跟踪器的阻尼比则比较高,无阻尼器时大约在5~10%左右,增加阻尼器后,阻尼比可以提高2~3倍。


大风保护角度是目前讨论的比较多的问题,现在越来越多的测试和现场经验表明,大风保护在0度时,跟踪器更容易进入颤振状态,这种情况和塔科马桥比较类似,也就是临界风速比较低。因此目前全球前五家跟踪器厂家都已经抛弃了0度大风保护的策略(是的,包括S记厂家),转而采用大角度来抵抗高风速,从而提高颤振的临界风速。


5

总结


媒体对虎门大桥的关注,提高了全社会对风致共振的认识。小树洞也希望能有越来越多的朋友,了解在光伏跟踪器设计里,空气动力学稳定性设计的重要性。小树洞并不是专业从事桥梁风工程的工程师,而是基于航空航天知识,来对虎门大桥进行解释,不当之处还请大家批评指正。


全文结束

谢谢阅读

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原文始发于微信公众号(坎德拉学院):从“虎门大桥”,再谈光伏跟踪器的“风致共振”

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